Основные теоретические положения. Совокупность трех однофазных цепей переменного тока, в которых действуют ЭДС одной и той же частоты

Совокупность трех однофазных цепей переменного тока, в которых действуют ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые по фазе, называется трехфазной системой. Однофазные цепи, входящие в состав трехфазной системы, называются фазами.

Трехфазная система переменного тока была изобретена выдающимся русским инженером М.О. Доливо-Добровольским в 1891 г. Им были разработаны трехфазный генератор, трансформатор и асинхронный двигатель. Простое устройство, относительная дешевизна, надежность в эксплуатации и лучшие экономические показатели трехфазных генераторов, трансформаторов, асинхронных двигателей, линий электропередач трехфазного тока по сравнению с аналогичными устройствами однофазного тока, возможность получения в одной установке двух эксплуатационных напряжений – фазного и линейного – способствовали широкому промышленному внедрению трехфазной системы.

Трехфазная цепь состоит из трех основных частей: трехфазного генератора, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую, линии электропередач и приемников энергии, которые могут быть как трехфазными (например, электродвигатели), так и однофазными (например, лампы накаливания).

Трехфазный генератор представляет собой синхронную машину. На статоре генератора размещается три фазные обмотки (фазы), смещенные в пространстве относительно друг друга на угол 120⁰. При равномерном вращении ротора, выполненного в виде электромагнита постоянного тока, в обмотках генератора в соответствии с законом электромагнитной индукции возбуждаются три синусоидальные ЭДС, взаимно сдвинутые по фазе на 120⁰.

К фазам генератора подключаются приемники электрической энергии. Нагрузка фаз называется симметричной, если к каждой фазе подключены приемники, имеющие равные по величине и одинаковые по характеру сопротивления. Симметричной нагрузкой являются трехфазные двигатели, трехфазные трансформаторы, электрические печи, несимметричной – осветительная нагрузка и потребители бытового обслуживания (холодильники, телевизоры).

Источники энергии и приемники энергии трехфазной системы могут быть соединены звездой или треугольником.

При соединении звездой концы всех обмоток генератора соединяются в один общий узел N, называемый нулевой или нейтральной точкой источника. Аналогично соединяется звездой трехфазный приемник: концы его фаз соединяются в один общий узел n, называемый нулевой или нейтральной точкой приемника. Начала фаз источника с началом фаз приемника соединяются линейными проводами. Такая трехфазная система называется трехпроводной. В некоторых случаях нейтральную точку генератора N и нейтральную точку приемника n соединяют между собой четвертым проводом – нейтральным или нулевым. Такое соединение называется соединение звездой с нулевым проводом и обозначается Y₀, а трехфазная система в этом случае является четырехпроводной.

В трехфазных электрических цепях различают фазные и линейные напряжения и токи. Напряжения между началами отдельных фаз приемника U_ab, U_bc и U_ca называются линейными, а между началом и концом фаз U_a, U_b, U_c – фазными.

При соединении фаз трехфазного источника звездой справедливо соотношение:

U_Л = U_Ф (1)

Это же выражение справедливо для напряжения на зажимах приемника, но при условии, что нагрузка симметрична или при наличии нейтрального провода при несимметричной нагрузке.

Токи I_А, I_В, I_С в линейных проводах называют линейными, токи, протекающие по фазам, – фазными, а ток I_N в нейтральном проводе называется нейтральным.

При соединении звездой линейные токи равны соответствующим фазным токам:

I_Л = I_Ф (2)

Ток в нейтральном проводе определяется в соответствии с первым законом Кирхгофа:

(3) При симметричной нагрузке тока в нейтральном проводе не будет (I_N = 0), поэтому нейтральный провод не нужен и его не включают.

Несимметричная нагрузка включается в трехфазную сеть звездой с нейтральным проводом. При этом потенциал нейтральной точки приемника равен потенциалу нейтральной точки генератора, следовательно, фазные напряжения приемника равны соответствующим фазным напряжениям генератора. Изменение фазной нагрузки одной фазы вызывает изменение тока в данной фазе, который влияет на ток только в нейтральном проводе и не влияет на ток в других фазах.

Несимметричную нагрузку нельзя подключать в трехфазную сеть без нейтрального провода. В случае обрыва нейтрального провода (Y_N = 0) при несимметричной нагрузке между нейтральной точкой источника и приемника возникает напряжение U_N и происходит перераспределение напряжений по фазам приемника. На фазах, имеющих большее сопротивление, напряжение будет больше номинального фазного напряжения, приемники перегреются и даже могут сгореть. На фазах, имеющих меньшее сопротивление, напряжение будет меньше номинального, и приемники получат меньшую мощность. Следовательно, нейтральный провод обеспечивает симметрию фазных напряжений приемника при несимметричной нагрузке. Плавкий предохранитель в нейтральный провод не ставят, в нейтральный провод также не вводят выключатель.

Соединение приемников энергии звездой применяют в тех случаях, когда их номинальное напряжение меньше линейного напряжения источника в раз.